JP6517867B2 - 数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は数値制御装置に関し、特に適応制御におけるオーバシュートを抑制する技術に関する。

主軸負荷を検出し、送り速度を制御する適応制御技術が知られている。例えば特許文献１及び特許文献２には、図１に示すように、主軸負荷が小さい場合には送り速度を大きくし、主軸負荷が大きい場合には送り速度を小さく制御する技術が記載されている。

特願２０１５−２３０６１５号 特願２０１６−０８１６９０号

しかしながら、加工ワークへの切り込み時に主軸の負荷に応じた適応制御を行う場合において、切り込み開始時の低い負荷を基にＰＩＤ制御を行うと、オーバシュートが発生するという問題がある。すなわち、図２左図に示すように、ワークに工具が接触しはじめてから、ワークと工具との接触面積が最大となるまでの間は、主軸負荷は比較的低いレベルに留まる。このときの低い負荷に基づいてＰＩＤ制御を行うと、速度を上げる制御を行ってしまい、図２右図に示すように主軸負荷がオーバシュートする。

図３及び図４はこの問題の発生メカニズムを示している。図３に示すように、ＰＩＤ制御においては、主軸の送り速度の決定要因であるオーバライドＯ（ｔ）は次式により計算される。ここで、右辺の第１項を比例項、第２項を積分項、第３項を微分項と称する。

切り込み開始時の主軸負荷は、図３右下のグラフのような鋸歯状の波形を示す。これを平滑化したものが図３左下のグラフである。このグラフから明らかなように、切り込み開始時は目標負荷に比べ主軸負荷が小さい。換言すれば、目標負荷と主軸負荷との偏差ｅ_Ｌ（ｔ）が大きい。このような場合、積分項は大きくなる。積分項が大きくなると、オーバライドＯ（ｔ）が大きくなり、速度を上昇させる制御が行われ、結果として主軸負荷が目標負荷を上回るオーバシュートが発生してしまう。

図５は、オーバシュート発生時の主軸負荷（一点鎖線）及び送り速度（実線）の推移の一例を示すグラフである。送り速度については、指令速度に対する倍率（％）を示している。また主軸負荷については、連続定格（長時間運転可能な負荷）に対する倍率（％）を示している。この例では、連続定格の２００％にあたる短時間定格（一定時間に限り運転可能な負荷）を目標負荷としてＰＩＤ制御を行ったが、制御開始当初の主軸負荷が低いため、送り速度が１００％を超えるような制御が行われ、結果として主軸負荷が目標負荷を超えるオーバシュートが発生している。

なお、比例項のゲインを上げることでオーバシュートを抑制することは可能である。しかしながら、そうするとオーバライドが低下し加工速度が遅くなるという新たな問題を発生させてしまうため、適切な対策とは言い難い。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、適応制御におけるオーバシュートを抑制することが可能な数値制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置は、主軸負荷を計測する主軸負荷計測手段と、前記主軸負荷に基づいて送り速度を調整するＰＩＤ制御を行う速度演算手段と、を有する数値制御装置において、前記主軸負荷と切削体積との比に基づく値をフィードバック値として算出する主軸負荷補正手段をさらに有し、前記速度演算手段は、前記フィードバック値を用いて前記ＰＩＤ制御を行う。

他の実施の形態にかかる数値制御装置では、前記主軸負荷補正手段は、工具とワークとの接触面を示す円弧の弦の長さと、前記工具の直径と、の比を用いて前記フィードバック値を算出する。

本発明によれば、適応制御におけるオーバシュートを抑制することが可能な数値制御装置を提供することができる。

従来のＰＩＤ制御の一例を示す図である。 従来技術の問題点を説明する図である。 従来技術の問題点を説明する図である。 従来技術の問題点を説明する図である。 従来技術の問題点を説明する図である。 本発明の実施の形態にかかるＰＩＤ制御の概要を説明する図である。 本発明の実施の形態にかかるＰＩＤ制御の概要を説明する図である。 本発明の効果を説明する図である。 本発明の実施の形態にかかる数値制御装置１００の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態にかかる数値制御装置１００の動作を示すフローチャートである。 主軸負荷の補正方法の一例を説明する図である。 主軸負荷の補正方法の一例を説明する図である。 主軸負荷の補正方法の一例を説明する図である。 主軸負荷の補正方法の一例を説明する図である。 主軸負荷の補正方法の一例を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。はじめに図６乃至図８を用いて、本発明の実施の形態の概要について説明する。

本実施の形態では、数１に示すような従来のＰＩＤ制御を基本としつつ、工具によるワークの切削体積と主軸負荷の瞬時値との比でフィードバックを補正する制御を加える。切削体積は工具径と送り速度により求められる。主軸負荷の瞬時値は、瞬間的な切削体積にほぼ比例することが知られている。よって、主軸負荷そのものではなく、主軸負荷と切削体積との比に基づく値をフィードバックすることで、切り込み開始時のフィードバックの小ささを解消することができる。

フィードバックＦ（ｔ）は例えば次式により求められる。ここで、Ｒ（ｔ）は時刻ｔにおける主軸負荷の瞬時値である。また、数２の右辺の分母は、切削開始から時刻ｔまでの切削体積を示す。（図６右図参照）

図６左図は、切削開始時点からのフィードバックＦ（ｔ）の推移を示すグラフである。このグラフは、目標負荷を１００％としたときの補正された主軸負荷（Ｆ（ｔ））の倍率を示している。従来、主軸負荷が目標負荷に達するまでには一定の時間を要していたところ（図３参照）、本実施の形態ではその時間をほぼ０にできる。なお図６左図において、ｔ_０の直後に現れる５０％付近の値はノイズによるものである。

このように、本実施の形態では図７に示すように、従来のような主軸負荷そのもの（右下の鋸歯状のグラフ）ではなく、主軸負荷と切削体積との比に基づくＦ（ｔ）（左下のグラフ）をフィードバックする。このＰＩＤ制御は次式により表される。

このように補正されたフィードバックをＰＩＤ制御に用いることにより、切り込み開始時においてもフィードバックが低くなることがない。そのため、積分項が大きくならず、負荷のオーバシュートを防ぐことが可能である。図８に本実施の形態による効果を示す。左図に示す従来のＰＩＤ制御では主軸負荷のオーバシュートが発生していたが、右図に示す本実施の形態のＰＩＤ制御ではオーバシュートが発生しない。すなわち、本実施の形態によれば従来より正確な制御が可能であり、オーバシュートの心配をする必要がなくなる。換言すれば、従来はオーバシュートを見越して目標負荷を低めに設定する必要があったが、本実施の形態を適用すればそうする必要がない。そのため、目標負荷を従来より大きく設定することが可能である。目標負荷を大きく設定できれば、切削中の速度を大きくすることができるから、加工時間の短縮が可能である。

つづいて、図１０のブロック図を用いて、本発明の実施の形態にかかる数値制御装置１００の構成について説明する。数値制御装置１００は、指令プログラム解析手段１０１、速度演算手段１０２、補間手段１０３、補間後加減速手段１０４、主軸負荷計測手段１０８及び主軸負荷補正手段１０９を有する。

指令プログラム解析手段１０１は、指令プログラムを解析して工具の移動経路や移動速度を計算する。速度演算手段１０２は、主軸負荷補正手段１０９から出力されるＦ（ｔ）を用いて、数３に基づくＰＩＤ制御を実行し、送り速度を調整する。補間手段１０３は、速度演算手段１０２が計算した移動経路や移動速度の補間処理を行う。補間後加減速手段１０４は、例えば移動経路にコーナ部などが含まれる場合に、速度演算手段１０２が計算した移動速度に対し加減速を加える制御を行う。サーボモータ制御手段１０５は、補間手段１０３及び補間後加減速手段１０４から出力される移動経路及び移動速度に応じてサーボモータ２を制御し、工具を移動させる。主軸負荷計測手段１０８は、主軸の回転を担うスピンドルモータ３に設けられたセンサの出力に基づいて主軸負荷を計測する。主軸負荷補正手段１０９は、主軸負荷計測手段１０８が検出した主軸負荷を切削体積で補正したＦ（ｔ）を計算し、速度演算手段１０２にＦ（ｔ）をフィードバックする。

従来のＰＩＤ制御においては、主軸負荷計測手段１０８が出力する主軸負荷がフィードバックとして用いられていた。一方、本実施の形態にかかる数値制御装置１００の速度演算手段１０２は、主軸負荷を切削体積で補正したＦ（ｔ）をフィードバックする点に特徴がある。

図１０のフローチャートを用いて、数値制御装置１００の動作についてさらに詳しく説明する。数値制御装置１００は、所定の実行周期でこのフローチャートにかかる処理を実行する。
Ｓ１：主軸負荷補正手段１０９には、周期Ｔごとに主軸負荷計測手段１０８が計測した現在の主軸負荷Ｒ（ｔ）が入力される。主軸負荷補正手段１０９は、Ｒ（ｔ）としきい値Ｒｍとの関係がＲ（ｔ）≧Ｒｍであるか否かを判定する。しきい値Ｒｍとは、ＰＩＤ制御が有効化される主軸負荷の下限値である。Ｒ（ｔ）≧Ｒｍでない場合はステップＳ２に遷移する。その他の場合はステップＳ３に遷移する。

Ｓ２：主軸負荷補正手段１０９は、ＰＩＤ制御中フラグをオフにし、処理を終了する。

Ｓ３：主軸負荷補正手段１０９は、ＰＩＤ制御中フラグを参照し、ＰＩＤ制御中フラグがオンであるか否かを判定する。ＰＩＤ制御中フラグがオンであることは、現在、ＰＩＤ制御を実行中であることを意味する。ＰＩＤ制御中フラグがオフであればステップＳ４に遷移する。その他の場合はステップＳ６に遷移する。

Ｓ４：主軸負荷補正手段１０９は、現在時刻ｔ、ＰＩＤ制御の実行周期（すなわち主軸負荷補正手段１０９及び速度演算手段１０２の実行周期）Ｔに基づき、時刻ｔ_０＝ｔ−Ｔと設定する。

Ｓ５：主軸負荷補正手段１０９は、ＰＩＤ制御中フラグをオンに設定する。

Ｓ６：主軸負荷補正手段１０９は、主軸負荷を切削体積で補正したＦ（ｔ）を計算する。制御周期の離散時間をｔ_１＝ｔ_０＋Ｔ、ｔ_２＝ｔ_０＋２Ｔ、・・・、ｔ_ｎ＝ｔ_０＋ｎＴとおくと（ｎは自然数）、Ｆ（ｔ_ｎ）は次式で計算される。

数４におけるＣ（ｔ_ｉ）は、直方体のワークに対して回転工具を回転軸と垂直方向に送り、ワークの端面に垂直に切り込んだ際の時間当たりの切削体積に比例する関数である。実際の時間当たりの切削体積で主軸負荷を補正してしまうと、目標負荷との差分が不適当な値となってしまうため、本実施の形態では、工具が全て当たった時の値を１とした比率（現在の時間当たり切削体積の比率）を表すＣ（ｔ_ｉ）を用いて主軸負荷を補正する。すると、Ｃ（ｔ_ｉ）は次のように表される。

ここでＤは工具径（ｍｍ）、Ｐ（ｔ_ｉ）は時刻ｔ_０からｔ_ｉまでの送り量（ｍｍ）である。図１１に、Ｃ（ｔ_ｉ）とＤ、Ｐ（ｔ_ｉ）との関係を示す。図１１下図は、ワークに工具が切り込んでいる様子を工具の回転軸方向から見た断面図である。工具が微小時間に切削する体積は、工具とワークとの接触面を示す円弧の弦の長さ（図中に破線で示す）

に比例する。そして、本実施の形態では、弦の長さ＝直径Ｄとなったときを１とするためにＣ（ｔ_ｉ）を数５のように定義する。なお、Ｃ（ｔ_ｉ）が１になった後、つまりｔｉが数７を満たす場合はＣ（ｔ_ｉ）を１として扱うものとする。

Ｓ７：速度演算手段１０２は、主軸負荷補正手段１０９からフィードバックされたＦ（ｔ）を用いて、数３によりＰＩＤ制御を行う。

本実施の形態によれば、主軸負荷補正手段１０９が主軸負荷を切削体積で補正したＦ（ｔ）を計算して速度演算手段１０２にフィードバックし、速度演算手段１０２はＦ（ｔ）を用いたＰＩＤ制御を行う。いわば、主軸負荷補正手段１０９は、主軸負荷を実際よりも大きく見せるような補正をしてフィードバックを行う。これにより、目標負荷と現在の主軸負荷との差分を極力小さくすることができ、当該差分に由来するオーバシュートの発生を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、フィードバックＦ（ｔ）はＲ（ｔ）よりも確実に大きくなるため、切込みが工具の幅でないときであっても適切な補正を行うことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

例えば、ステップＳ１において、ｔ_０＝ｔと設定しても良い。するとＣ（ｔ）＝０となるためその周期ではＦ（ｔ）が出力できなくなるが、制御は可能である。また、もし制御周期よりもＲ（ｔ）の取得周期が短い場合は、同様の手順でさらに正確にｔ_０を求めることが可能である。
すなわち図１３下図に示すように主軸負荷の取得周期が制御周期よりも小さい場合は、ｔ_ｉ’を計算に使う。これにより、図１３上図に示すような主軸負荷の取得周期が制御周期と同じかそれよりも大きい場合に比べ、より正確に切削体積と負荷の値の同期をとることができる。

また、離散時間の合計である

は実行周期や工具の送り速度、工具径によっては精度が低くなる可能性がある。この場合、送り量からＣ（ｔ_ｉ）の積分により直接切削体積を求めることで精度を上げることができる。
すなわち図１４上図及び中図に示すように、周期ＴがｉＴＦ／６０に対して大きくなるほど、数８による計算誤差は大きくなる。このような場合は図１４下図に示すように、数９により送り量から積分値を直接求めるならば計算精度は担保できる。

また、上述の実施の形態では積分区間を制御開始時刻からとしたが（図１２上図参照）、積分区間を任意の時間で区切っても良い。例えば図１２下図に示すように、ｔ_ｉ−ｍからｔ_ｉを積分区間としても差し支えない。その場合、Ｃ（ｔ_ｉ）とＲ（ｔ_ｉ）の積分区間はいずれもｔ_ｉ−ｍからｔ_ｉに合わせるべきである。

さらに、積分せずに数１０のようにＦ（ｔ_ｉ）を定義することもできる。しかし、数１０で定義したＦ（ｔ_ｉ）をそのまま用いるとノイズの影響でＦ（ｔ_ｉ）が変動してしまうため、上述の実施の形態では積分によりノイズを除去した。

また、Ｒ（ｔ）及びＣ（ｔ）に何らかのフィルタを掛けることも可能である。この場合、Ｒ（ｔ）及びＣ（ｔ）に同様のフィルタを掛けることとするならば、上述の実施の形態と同様にＦ（ｔ）を算出することが可能である。

また、切り込み幅が分かっている場合は単純な切り込みの場合の切削体積を計算できる（図１５上図参照）。よって、切り込み幅の設定が出来るようにすることも可能である。なお、簡略化のため、図１５下図に示すような近似的な切削体積を計算しても良い。

１００ 数値制御装置
１０１ 指令プログラム解析手段
１０２ 速度演算手段
１０３ 補間手段
１０４ 補間後加減速手段
１０５ サーボモータ制御手段
１０８ 主軸負荷計測手段
１０９ 主軸負荷補正手段
２ サーボモータ
３ スピンドルモータ

Claims (2)

1. 主軸負荷を計測する主軸負荷計測手段と、前記主軸負荷に基づいて送り速度を調整するＰＩＤ制御を行う速度演算手段と、を有する数値制御装置において、
   前記主軸負荷と切削体積との比に基づく値をフィードバック値として算出する主軸負荷補正手段をさらに有し、
   前記速度演算手段は、前記フィードバック値を用いて前記ＰＩＤ制御を行う、
   数値制御装置。
2. 前記主軸負荷補正手段は、工具とワークとの接触面を示す円弧の弦の長さと、前記工具の直径と、の比を用いて前記フィードバック値を算出する、
   請求項１記載の数値制御装置。